스마트계측기

ICP란 무엇인가?

고주파 유도결합 플라즈마(ICP)란 기체에 고전압을 인가해 원자를 전리하고 나아가 고주파수의 변동자기장에 의해 그 플라즈마 내부에 와전류에 의한 줄열을 발생시켜 얻어지는 플라즈마이다.

이 플라즈마의 전자밀도는 약 10^17개/m^3, 온도는 5~10×10^3K이며, 온도는 태양 표면의 플라즈마에 가깝다.

우주창세기처럼 중성원자가 원자핵, 전자, 광자 등에 완전히 전리된 것이 아니라 중성원자에서 1개 또는 몇 개의 전자가 해리되어 있는 플라즈마이다.

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 ICP 발광 분석이란?

플라즈마 안에서는 열에 들뜬 고준위에너지의 원자 내 전자가 더 저준위에너지 상태로 돌아갈 때 이 준위 간 에너지 차이에 대응하는 특정 파장의 빛을 방출한다.

그러나 전자에너지 준위는 다수이므로 각각 원소에 따라 특징 있는 발광 스펙트럼이 된다.

플라스마 안에 여러 원소가 혼재할 경우 복잡한 파장으로 구성되는 발광 스펙트럼을 형성한다.

이 파장이 다른 빛을 분광해 목적원소인 특정 파장의 광강도를 측정하면 플라스마 속 원소의 밀도가 요구된다.

또 발광 스펙트럼을 엄밀하게 측정하면 플라스마 안에 존재하는 원소들을 동시에 알아낼 수 있어 각 특정 파장의 광강도보다 각 원소의 상대밀도를 측정할 수 있게 된다.

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 ICP 질량 분석이란 무엇인가?

플라즈마 안에 중성원자가 전자를 해리한 원자 이온(+)이 존재한다.

이 원자이온을 꺼내 전계에 따라 가속 수렴해 각 원소의 m/z(질량/전하)와 mv^2/2(운동에너지)의 차이를 전장이나 자기장에 의해 분리해 뽑아낸 뒤 검출기로 뛰어든 원자이온의 수를 측정하면 플라스마 안에 존재하는 원소들의 밀도를 상대적으로 구할 수 있다.

같은 원소의 동위원소 비율도 측정할 수 있다.

유도결합 플라즈마란?

유도결합 플라즈마는 Inductively Coupled Plasma(ICP)

유도결합 플라즈마는 Inductively Coupled Plasma(ICP)라 하여 5,000~10,000K의 플라즈마를 얻을 수 있으며, 플라즈마 중에 도입된 측정대상 원소는 원자화되고 원자들은 전자를 이온화한다.

이 이온화 원자는 들뜨면서 그 원소에 특유의 빛(다수 파장으로 구성되는 스펙트럼)을 발생시킨다.

또 각 원소의 이온화 원자는 그 질량과 전하의 비(m/z)가 다르므로 이를 전계자계에 의해 분리할 수 있다.

이들 현상을 이용하면 극미량의 원소 측정이 가능해진다.

목적원소가 발광하는 특정 파장을 분광해 그 광량에서 원소를 정량하는 방법이 ICP-발광분석(Atomic Emission Spectrometry: ICP-AES)이다.

또 다른 m/z를 분리하여 그 이온량을 측정하여 목적원소를 정량하는 방법을 ICP-질량분석(Mass Spectrometry: ICP-MS)이라고 한다.

 ICP-AES/MSS가 실용·보급되기 시작해 수십 년이 경과하고, 분석장치의 과제 개선·컴팩트화·조작성이 향상되어 장치 가격도 저렴해져, 현재는 금속원소의 가장 범용적 수법 중 하나로서 폭넓게 이용되게 되었다.

 대표적인 응용분야는 금속재료, 반도체 파인 세라믹스, 고순도시약, 음료식품, 수돗물·환경수·저질·토양, 폐수·폐기물 등에 포함된 미량원소의 정량이다.

 ICP-AES/MSS의 이용에 있어서는 다량의 공존성분(매트릭스: 고체·액체·기체를 구성하는 주성분) 중에서 미량에 포함되는 특정성분을 정량하게 되므로 여러 가지 과제도 발생하여 측정시료의 채취방법이나 전처리 기술이 중요해진다.

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